物理层

大纲要求

（一）通信基础

1. 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
2. 奈奎斯特定理与香农定理
3. 编码与调制
4. 电路交换、报文交换与分组交换
5. 数据报与虚电路

（二）传输介质

1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
2. 物理层接口的特性

（三）物理层设备

1. 中继器
2. 集线器

核心考点

1. （★★★）掌握奈奎斯特定理和香农定理
2. （★★★）掌握电路交换、报文交换与分组交换的工作方式与特点
3. （★★）理解中继器和集线器的功能以及实现原理
4. （★★）理解通信基础的基本概念

通信基础

信号

信号∶数据的电气或电磁的表现（就是将数据用另外一种形态表现出来，就好像水转换成冰，其实质还是水，仅仅是形态变了）。而数据是传送信息（如图片和文字等）的实体。

注意1∶无论数据或信号，都既可以是模拟的，也可以是数字的。"模拟的"就是连续变化的，如图2-1所示；而"数字的"表示取值仅允许是有限的离散值，如图2-2所示。

注意2∶信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。基带信号是将数字信号0和1直接用两种不同的电压表示，然后传送到数字信道上去传输，称为基带传输∶宽带信号是将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后再传送到模拟信道上去传输，称为宽带传输。总之，记住一句话∶基带对应数字信号，宽带对应模拟信号。

注意3∶宽带传输在考研中可以等同于频带传输（都是传输模拟信号），只是宽带传输比频带传输有更多的子信道，并且这些子信道都可以同时发送信号。

信源、信道及信宿

虽然大纲删除了信源与信宿，但还是需要了解。

信源∶字面理解就是信息的源泉，也就是通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。

信道∶字面理解就是信息传送的道路，也就是信号的传输媒质，分为有线信道和无线信道，人们常说的双绞线和人造卫星传播信号分别是有线信道和无线信道的典型代表。

信宿∶字面理解就是信息的归宿地，也就是通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

故事助记∶某公司要将货物从A地运送到B地（通过铁路），B地把货物加工为成品销售给用户。这里的A地就是信源，铁路就是信道，B地就是信宿，货物就是数据，货物加工成的成品就是信息。信号、数据、信息三者的关系则是∶比如在使用万用表时，输入（电）信号得到（电压/电流）数据，数据通过整理就是信息。

口补充知识点∶数据传输方式、通信方式与通信模式（了解即可）。

解析∶数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输∶一个一个比特按照时间顺序传输（远距离传输经常采用）。并行传输∶多个比特通过多条通信信道同时传输（近距离传输经常采用）。

通信方式分为同步通信和异步通信。
同步通信∶要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等，以便使接收端对收到的比特流的采样判决时间是准确的。

异步通信∶发送数据以字节为单位，对每一字节增加一个起始比特和一个终止比特，共10bit。接收端接收到起始比特，便开始对这个数据单元的10bit进行处理。它的特点是发送端发送完一个字节后，可以经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。相对来说，同步通信技术较复杂，价格昂贵，但通信效率较高；而异步通信开销较大，价格低廉，使用具有一般精度的时钟来进行数据通信。

通信模式分为单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）。

单工∶只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如有线广播电视。

半双工∶通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，也不能同时接收。

全双工∶通信双方可以同时发送和接收信息。

速率、波特及码元

在计算机网络中，速率顾名思义是指数据的传输速率，即单位时间内传输的数据量。一般速率有两种描述形式∶波特率和比特率。

波特率∶又称为码元传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或者信号变化的次数，对理解某些题有好处，一定记住!），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元。码元可以用二进制表示，也可以用多进制表示。

比特率∶又称为信息传输速率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位为bits。为什么是二进制码元?比特率和波特率之间的关系和这个进制有联系吗?

正常情况下，每比特只能表示两种信号变化（0或1），可看成二进制。此时每个码元只能携带1bit的信息（因为2¹=2），所以在数量上，波特率就和比特率相等了。因此，在二进制码元的情况下，比特率在数量上和波特率是相等的。但是，一个码元仅携带一个比特，数据率很低，所以编码专家想办法让一个码元携带更多的比特，以此来提高传输速率，即通过一些手段将信号的变化次数增加，从而让一个码元携带更多的比特。

例如，增加到16种信号变化（可以看成十六进制），那么自然就需要4bit（log2¹⁶=4，记住这个公式！）来表示，此时一个码元携带了4bit，传输数据率大大增加。如果可以通过某些手段达到无穷种信号变化，数据传输速率就可以无限大。香农发现了极限速率（后讲），但至今没有人想出办法达到无穷种信号变化。

注意∶以上的讨论都是在有噪声的情况下。

带宽

带宽分为模拟信号的带宽和数字信号的带宽。第1章就已经提到过，在过去很长一段时间里，通信的主干线路传送的是模拟信号，此时带宽的定义为∶通信线路允许通过的信号频带范围，就是允许通过的最高频率减去最低频率。例如，某通信线路允许通过的最低频率为300Hz，最高频率为3400Hz，则该通信线路的带宽就为3100Hz。

但是，在计算机网络中，带宽不是以上的定义。此时的带宽是用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。因此，带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"。显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是bit/s，读作"比特每秒"。

奈奎斯特定理

采样定理

讲解带宽的时候提到，在通信领域带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f_采样必须大于或等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息（只需记住结论，不要试图证明，切记!）。另外，采样定理又称为奈奎斯特定理。

奈奎斯特定理

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的（因为具体的信道带宽是确定的），所以信号中的大部分高频分量就过不去了，这样在传输的过程中会衰减，导致在接收端收到的信号的波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫作码间串扰。所以是不是应该去寻找在保证不出现码间串扰的条件下的码元传输速率的最大值呢？没错，这就是奈奎斯特定理的由来。奈奎斯特在采样定理和无噪声的基础上，提出了奈奎斯特定理。奈奎斯特定理的公式为

式中，f表示理想低通信道的带宽；N表示每个码元的离散电平的数目。

注意∶低通信道就是信号的频率只要不超过某个上限值，都可以不失真地通过信道，而频率超过该上限值则不能通过。也就是说，低通信道没有下限，只有上限。理想低通信道的最高码元传输速率是每秒两个码元。当然还有一种叫理想带通信道，只允许上、下限之间的信号频率成分不失真地通过，其他频率成分不能通过。也就是说，带通信道有上、下限。理想带通信道的最高码元传输速率是每秒一个码元。考研考查的基本都是理想低通信道，带通值道了解即可。

由以上公式可知，奈奎斯特定理仅仅是给出了在无噪声情况下码元的最大传输速率，即2f，并没有给出最大数据传输率。那是不是可以改变logN？没错，只要N足够大，即编码足够好，使得一个码元携带无穷个比特，那么最大数据传输速率C_max就可以无穷大（记住!）。

【例2-1】对一个无噪声的4kHz信道进行采样，可达到的最大数据传输速率是（ ）。D

A.4kbit/s

B.8kbit/s

C.1kbit/s

D.无限大

解析∶D。在 4kHz的信道上，采样频率需要8kHz（每秒可进行8k次采样）。如果每次采样可以取得16bit的数据，那么信道就可以发送128kbit/s的数据。如果每个采样可以取得1024bit 的数据，那么信道就可以发送8Mbits的数据。所以说只要编码编得足够好（每个码元能携带更多的比特），最高码元传输速率是可以无限大的。

另外一种直观的解释就是使用奈奎斯特公式，无噪声最大数据传输率C_max=f_采样 x log₂N=2f x log₂N（其中f表示带宽）=8k x log₂N，而这个N可以无穷大。

注意∶这里的关键在于信道是无噪声的，如果是在一个有噪声的4KHz的信道中，根据香农定理则不允许最大数据传输率为无限大。

香农定理

介绍香农定理之前需要引入一个概念，即信噪比。要清楚噪声的影响是相对的，也就是说，信号较强，噪声的影响就相对较小（两者是同时变化的，仅考虑两者之一是没有任何意义的），所以求信号的平均功率和噪声的平均功率之比（记为S/N，读作"信噪比"）才有意义，即

其中，W为信道的带宽，所以要想提高最大数据传输速率，就应设法提高传输线路的带宽或者设法提高所传信号的信噪比。
从以上公式可以得出以下结论∶

1. 要使信息的极限传输速率提高，就必须提高信道的带宽或信道中的信噪比。换句话说，只要信道的带宽或信道中的信噪比固定了，极限传输速率就固定了。
2. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
3. 实际信道的传输速率要比极限速率低不少。

可能疑问点∶在有噪声的情况下，"要想提高信息的传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他办法"（见相关教材）。不是还可以让每个码元携带更多的比特，这也是可以提高信息的传输速率的，怎么说没有其他办法了呢?

解析∶这里所要表达的意思是要提高香农公式所确定的极限传输速率只能提高带宽和信噪比，仅通过改善编码（改善编码仅仅是在极限传输速率范围内提高传输速率）是不可能超过香农公式算出的速率的。所以说要想提高信息的极限传输速率，一定要提高带宽和信噪比，此外别无他法。千万不要把奈奎斯特定理和香农定理搞混，因为它们讨论的前提条件是不一样的，前者是无噪声，后者是有噪声。

【例2-2】电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统的最大数据传输率为（）。C

A.3kbit/s

B.6kbit/s

C.30kbit/s

D.64kbit/s

解析∶C。电话系统的信道是有噪声的信道，所以该题应该用香农公式来求解。SN为信噪比，若要换算为dB，则为10log₁₀（S/N），因此依题意有10log₁₀（S/N）=30，可解出 SN=1000

根据香农公式，最大数据传输率=3000log₂（1+S/N）30kbit/s。

总结∶奈奎斯特定理公式和香农公式的主要区别是什么？这两个公式对数据通信的意义是什么?

解析∶奈奎斯特定理公式指出了码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是1还是0（因为有码元之间的相互干扰）。奈奎斯特定理公式是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值还要小些。电信技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。需要注意的是，奈奎斯特定理公式并没有对信息传输速率（bit/s）给出限制（也就是可以无限大）。要提高信息传输速率就必须使每个传输的码元能够代表许多个比特的信息，这就需要有很好的编码技术。

香农公式给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（以 Hz为单位）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。这个极限是不能够突破的。要想提高信息的极限传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他办法。至少到现在为止，还没有听说有谁能够突破香农公式给出的信息传输速率的极限。

香农公式告诉人们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法∶要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比为无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（当然这些也都是不可能的）。

编码与调制

模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。将模拟数据或数字数据（可统称为数据）转换为模拟信号的过程称为调制，将模拟数据或数字数据转换为数字信号的过程称为编码，如图2-3所示。

调制

（1）数字数据调制为模拟信号（理解）

虽然数字化已成为当今的趋势，但这并不等于说使用数字数据和数字信号就是"先进的"，也不等于说使用模拟数据和模拟信号就是"落后的"。数据究竟应当是数字的还是模拟的，是由所产生的数据的性质决定的。

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。考研中理解这两种转换即可，其他的了解即可。

故事助记∶调制解调器的调制是为了将数字数据转换成模拟信号，因为数字数据含有太多的低频成分（可以看成矮个子），而该信道不让他过去的原因有两种∶

1. 太矮了（都是低频成分），不让他过去。
2. 他穿的衣服不适合该场合（低频成分不能与信道的特性相适应）。

针对以上两种原因，可以想出两种办法。

针对第一种原因∶让他变高。

针对第二种原因∶换件正式的西装。这样就引入了两种调制。

1. 带通调制（把矮个子变高）∶类似于增高垫，让矮个子变高了，这样就可以过去了，即教材所讲的将基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，由此引出了3种方式∶调幅、调频和调相。
2. 基带调制（换件西装）∶给基带信号的低频成分改变波形，使之适应信道的特性（也就是说给矮个子穿上西装，改变一下外表，使之适应这个场合）；但是穿上西装仍然是矮个子，也就是说基带信号的低频成分改变波形仍然是基带信号，没有变成其他信号。

（2）模拟数据调制为模拟信号（了解，考的概率约为0）

模拟数据调制为模拟信号主要有以下原因∶

1. 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。
2. 充分利用带宽。

编码

（1）数字数据编码为数字信号（理解）

数字数据编码用于基带信号传输中，可以在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号，即直接让矮个子过去，不用穿增高垫了。既然不用穿增高垫，那就必须穿西装过去，而现在西装又分很多种牌子（非归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）。

1. 非归零码（NRZ）∶用低电平表示0，高电平表示1；或者反过来。其缺点是无法判断一个码元的开始和结束，收发双方难以保持同步。

   非归零码中还有一类NRZ-I编码，NRZ-I电平的一次翻转来表示电平的逻辑0，与前一个NRZ-I电平相同的电平表示电平的逻辑1。

2. 曼彻斯特编码（2013年考查了一道选择题）∶将每个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，码元0正好相反。曼彻斯特编码的特点是将每个码元的中间跳变作为收发双方的同步信号，无须额外的同步信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍（很多人会产生疑问，曼彻斯特编码到底是前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1，还是前一个间隔为低电平而后一个间隔为高电平表示码元1?不同辅导书介绍不同。其实这个不用担心，这个仅仅是形式上的，考试的时候试卷肯定会说明）。

3. 差分曼彻斯特编码∶若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。在每个码元的中间，都有一次电平的跳转。该编码技术较复杂，但抗干扰性较好。

（2）模拟数据编码为数字信号（了解）

此编码最典型的例子就是脉冲编码调制。

脉冲编码调制∶只需记住3个步骤，即采样（参考采样定理）、量化和编码，以及它是将模拟数据进行数字信号编码即可。

数据传输方式

数据传输方式包括电路交换、报文交换和分组交换。

电路交换、报文交换和分组交换的数据传输方式如图2-4所示。

电路交换

电路交换：由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因此有以下优缺点。

优点∶

1. 通信时延小。由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。
2. 实时性强。通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，所以实时性强。
3. 有序传输。双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
4. 适用范围广。电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
5. 控制简单。电路交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。
6. 避免冲突。不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。

缺点∶

1. 建立连接时间长。电路交换建立连接的平均时间相对计算机通信来说太长。
2. 信道利用率低。电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
3. 缺乏统一标准。当电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。
4. 灵活性差。只要通信双方建立的通路中的任何一个节点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接。

报文交换

报文交换∶数据交换的单位是报文，报文携带有目的地址、源地址等信息。报文交换在交换节点采用存储转发的传输方式，因而有以下优缺点。

优点∶

1. 无需建立连接。报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接时延，用户可随时发送报文。
2. 动态分配线路。当发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文传送出去。
3. 提高可靠性。如果某条传输路径发生故障，可重新选择另一条路径传输数据，所以提高了传输的可靠性。
4. 提高线路利用率。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。
5. 提供多目标服务。一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的。

缺点∶

1. 由于数据进入交换节点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）。
2. 报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络节点需要有较大的存储缓存空间。注意∶报文交换主要用在早期的电报通信网中，现在用得较少，通常被较先进的分组交换方式所取代。

原文：https://www.cnblogs.com/lihello/p/13620801.html